JPH03280969A - 大動脈内バルーン駆動制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、大動脈内バルーンの駆動制御装置に関し、特
に小児から成人までの大動脈内バルーンボンピングに使
用可能な、小型軽量で低騒音の駆動制御装置に関するも
のである。

（従来の技術） 大動脈内バルーンポンピング法は、大腿動脈より大動脈
内にバルーンカテーテルを挿入し、バルーンを心収縮時
に収縮、心拡張時に拡張させ心臓の回復を図る手段であ
って、一般に重症心不全の患者や、手術後の心臓の機能
回復が不十分で各臓器に必要な血液の循環維持かできな
いような患者を救命するために、今日広く用いられてい
る補助循環法であり、使用症例数は年々増加する傾向に
ある。

ここて使用する大動脈内バルーン駆動制御装置は、心電
図又は動脈圧の入力信号に同期させてバルーン内に容積
変位を起こし、バルーンの拡張、収縮を行う。バルーン
の拡張、収縮に必要な容積変位は、駆動装置内のガスポ
ンプて発生する。ガスポンプにはバルーンカテーテルが
接続され、これらにより閉鎖回路が形成される。閉鎖回
路内には駆動ガスか充填され、この閉鎖回路内に閉じ込
める駆動ガスの量を一定以下に規制して、バルーンの過
膨張による破損を防止する。駆動ガスには、一般的に、
ヘリウム又は二酸化炭素が使用されている。

ガスポンプを駆動する方式は２通りある。】つはガスポ
ンプとしてピストンシリンダーやベローズを使用し、そ
れらをボールねしまたはカムと回転モーターの組合せ、
あるいはリニアモーターにより往復運動させる方法であ
る。これらの方法では、ガスポンプとガスポンプ駆動装
置を一体にした閉鎖型駆動システムを容易に構築するこ
とかできるため、構成要素が少なくなり、駆動制御装置
を小型にすることか可能である。しかし１、二の方式は
、ピストンやベローズの容量を止姉ｌ＝検出して、使用
するバルーンの容量に応し２でストロークを制御する必
要かあるのて、システムか複雑となる。

もう一つの方法は、コンプレッサーと真空ボシブて陽圧
と陽圧を作り、調圧弁により調整［７た所定の圧力の空
気を各々のりザーバタンクに貯え、これをガスポンプの
駆動源とする３、各々のりザーーバタンクは、電磁弁を
介してガスポンプに接続されており、この電磁弁を交互
に開閉し７て、ガスポンプに陽圧と陽圧を供給し駆動す
るガスポンプ（丁はピストンシリンダ一方式かダイヤプ
ラム方式か多用されている。この方式はシステムの構築
か容易なため、現在最も多用されている。しかしこの方
式ではガスポンプ、コンプレッサー、真空ポンプ、リザ
ーバタンク等、構成要素か多くなるため重く、大型にな
り病院内の移動には不便であるうまた近年、病院間の移
送を行うために、救急車内でバルーンボンビニノブを実
施１７なかＧ二１、患者を移送てきる小型の駆動装置が
要求されているか１、：れらの駆動装置は、その要求に
対して十分に対応できるものではない。他にも、１）電
磁弁やコンプレッサーを使用しているのて騒音か著しい
、２）電磁弁に耐久性の限界かあるため、治療中に故障
が発生した場合には患者の生命を脅かす危険性もある等
の問題点かある。さらに、カテーテル部直径の細いバル
ーンカテーテル使用時にカテーテル内の圧力損失を補う
ために、バルーン拡張時のバルーン内圧力か比較的高め
に設定されている駆動装置もあり、このような装置を使
用した場合、バルーン破損の危険性かある。

一方、小児の先天性心臓疾患の根治手術後や後天性心疾
患による心不全に対して、大動脈内バルーンボンピング
を適用したいという要求か高まっている。しかし小児の
場合、心臓の１回当たりの拍出量が成人に比べて小さく
、心臓の拍動数か高いという特徴があり、成人用のバル
ーンを駆動するために設計された駆動装置では、小児の
体格に対応した小容量のバルーンを高速で駆動すること
か困雛てあった。

（発明か解決しようとする課題） このように使用症例数の増加か進行する一方、現行の大
動脈内バルーン駆動装置には安全性や騒音の面で多くの
問題点か存在している。７そして近年、患者の移送に伴
う駆動装置の小型化、小児大動脈内バルーンボンピング
の必要性か高まってきている。このような状況下で、更
に機能的で安全な駆動装置を提供することは大きな意義
を持つものである。即ち本発明の目的とすることろは、
小児用の小容量バルーンから成人用バＪｌ−ンまて、種
々の容量のバルーンを低騒音で駆動′４るー、とのでき
るバルーン駆動制御装置を提供することにより、あらゆ
る患者に対して、より良好な環境で、より安全な大動脈
内バルーンボンピングの実施を可能とするとともに、小
型軽量化した装置を提供することにより、大動脈内バル
ーンボンピング実施下での患者の病院内、または病院間
移送を容易にすることにある。

（問題を解決するための手段） 即ち本発明は、バルーンカテーテル内に充填ピれた駆動
ガスに容積変位を与え、該バルーンを散張、収縮させる
、高分子材料製ダイヤフラムを子するプッシャープレー
ト型ポンプ、電気モーターの回転運動を往復直線運動に
変換し該ポンプのフッシャープレートを機械的に駆動す
る手段、ブ・）シャープレート位置検出手段、前記バル
ーンカテーテルのバルーン容量設定手段、バルーン拡張
町の内圧設定手段、バルーン内圧検出手段を有し、前記
内圧設定手段の設定値とバルーン内圧設定手段の圧力に
より、バルーン内圧力を調整する電子制御手段と、前記
バルーン容量設定手段と内圧設定手段の設定値及び前記
プッシャープレート位置検出手段の出力により、前記プ
ッシャープレート型ポンプのプッシャープレートのスト
ロークを算出し、調整する電子制御手段とを備える小型
低騒音の大動脈内バルーン駆動制御装置を提供するもの
である。

本発明の大動脈内バルーン駆動制御装置には、プッシャ
ープレート型ポンプが使用され、これを高精度に制御す
ることにより上記目的が達成される。そもそも、プッシ
ャープレート型ポンプとは、体内完全埋め込みを目的と
した人工心臓用血液ポンプとして開発された薄厚円筒型
のポンプてあり、小型、高効率で制御性の良いことを特
徴としている。

そこで、このプッシャープレート型ポンプを用いて大動
脈内バルーンの駆動を実施するという発想を基に、上記
目的を達成するバルーン駆動制御システムを考案した。

尚、この人工心臓の開発については、人工臓器、第１３
巻１１７頁、第１５巻第６６９頁、及び第１６巻１７５
頁に報告されている。

以下、図面に基づいて本発明の詳細な説明する。

本発明の大動脈内バルーン駆動制御装置の概略を、第１
図に示すブロック図を用いて説明する。プッシャープレ
ート型ポンプ（３）は電気モーター（７）により駆動さ
れる。電気モーター（７）の回転軸（２９）には動力変
換手段（６）が接続され、電気モーター（７）の回転運
動を往復直線運動に変換してブツシャ−プレー　）　（
２７）を駆動する。プッシャープレート（２７）は使用
するバルーンの容量に応じて一定のストロークで駆動さ
れ、ダイヤフラム（４）に変位を与え、ガス室（５）に
容積変位を起こし、バルーン（１）を拡張、収縮する。

電気モーター（７）の制御は、次ような動作で実行され
る。まず、バルーン容量設定手段０２及びバルーン内圧
力設定手段ａ３により、駆動するバルーンの容量とバル
ーン拡張時の内圧を設定する。その設定値を電子制御手
段α０）か取り込み、バルーン（１）計算する。プッシ
ャープレート（２７）のストロークは、バルーン（１）
の拡張時にバルーン内の圧力がバルーン内圧力設定手段
αａにより設定された圧力となり、バルーン収縮時にＯ
ｍｍＨｇになるように決定される。電子制御手段α０）
はこの制御方法に基づきガス室（５）に設定条件に対応
した量の駆動ガスをボンベ（２６）より充填し、次いで
、電気モーター駆動基づいて電気モーター（７）を高精
度に制御する。さらに、電子制御手段α０）は、プッシ
ャープレート位置検出手段（２８）の信号からプッシャ
ープレートのストロークを算出する。そして、バルーン
容量とバルーン拡張時の内圧の設定値から計算されたス
トロークとの差を判断し、ストロークの調整を実施する
。

バルーン（１）の拡張、収縮タイミングは、次のような
公知の方式によって制御される。まず、心電図アンプα
臼、動脈圧アンプ（イ）、内部信号発生器（２１）のい
ずれかの信号かトリが一選択スイッチａｇで選択され、
拡張信号発生手段側に取り込まれる。

拡張信号発生手段ａ４では、バルーン拡張トリガーとな
る信号波形からバルーン拡張までの遅延時間、バルーン
の拡張時間、心拍数に対するバルーンの駆動数（補助比
）が、各々の設定手段α９、ａｅ、ａηにより設定され
、電子制御手段ａωにバルーン拡張収縮信号として出力
される。電子制御手段ａ■は、この信号に同期して電気
モーター（７）の駆動信号をカテーテル（２）とプッシ
ャープレート型ポンプ（３）の接続部には、バルーン内
圧力検出手段０１）として圧カドランスデューサーか設
置され、ブツシャ−プレー）　（２７）の往復運動によ
り生じるバルーン内の圧力変化をモニターにする。電子
制御手段α０）はこの圧力信号と、バルーン拡張−収縮
の１サイクル毎に拡張期バルーン内圧力の設定値を取り
込む。

そして、プッシャープレート型ポンプ（３）駆動中に拡
張期バルーン内圧方接か設定値からずれてきた時には、
補正信号を充填弁（２４）または排気弁（２３）へ送る
。例えば、バルーンカテーテルにガス漏れかありバルー
ン内圧力か低（なっている場合は、圧力を上げるために
充填弁（２４）を開き駆動ガスか充填される。駆動ガス
の充填はバルーン拡張時に、予め設定された一定時間た
げ充填弁（２４）を開く信号を出力して実行される。こ
の動作は数回に渡り実行され、バルーン内圧力の設定値
に収束する。

また、バルーン内圧力か高いときは排気弁（２３）を開
き、駆動ガスの排気が同様の方法により実行され圧力補
正が行われる。

さらに電子制御手段００）は、上述した検出手段と設定
手段より入力される情報により、バルーンの破裂、モー
ターの動作不良の作動異常を検出する。

そしてこのような事態か生じた場合には、直ちにバルー
ン駆動を停止し、駆動ガスを排気弁（２３）より排気す
る。

次に、実施例をもとにより具体的に説明する。

第２図は、本発明の一実施例となる大動脈内バルーン駆
動制御装置の具体的構成を示す図である。

ダイヤフラム（４）は、ステンレス製のポンプハウジン
グ（３６）とポンプバックプレー）　（３３）によりは
さみこまれ、プッシャープレート（２７）に接着されて
、プッシャープレート型ポンプ（３）を形成している。

ダイヤフラム（４）とポンプハウジング（３６）は、ガ
ス室（５）を形成し、先端にバルーン（１）のついたカ
テーテル（２）の他端をガス室（５）に接続することに
より、バルーン（１１とガス室（５）は閉鎖回路を形成
する。ダイヤフラム（４）に使用される高分子材料には
、適度な柔らかさと何千万回という往復運動に対する耐
久性を有すること、劣化しにくいことが要求され、この
ような条件を満足する高分子材料ならば特に制限なく使
用できる。現在入手可能な高分子材料の中ではポリウレ
タンか最適である。閉鎖回路内には、バルーン容量に応
じた駆動ガスが充填される。この駆動ガスとしては化学
的に安定で、バルーンか破裂して血液中に駆動ガスか混
入してしまった時でも、生体への影響が少ないヘリウム
ガスまたは炭酸ガスが用いられているか、中でも駆動ガ
スかカテーテル内を移動する時に発生する移動抵抗を減
少させるために、分子量の小さいヘリウムガスが好まし
い。

プッシャープレート（２７）の作動は、次のような機械
的動作により実施される。まず、電子制御手段００）か
前述した方式により、電気モーター（７）の正回転と逆
回転を交互に行い、これか動力変換手段（６）により往
復直線運動に変換される。変換手段は、ボールネジ方式
、ローラースクリューやリング状のカムを使用できるが
、第２図ではボールネジ方式による変換手段を使用して
いる。電気モーター（７）の回転軸（２９）に接続した
ボールネジシャフト（３０）は、該ボールネジシャフト
に組み合わされたボールネジナツト（３１）に往復直線
運動を与える。

ボールネジナツト（３１）は、ボールスクリュープレー
ト（３４）とシャフト（３２）により、ブツシャ−プレ
ー　）　（２７）に接続されており、該プッシャープレ
ートを駆動する。従って、プッシャープレート（２７）
のストロークは電気モーター（７）の回転軸（２９）の
回転量により制御される。電気モーター（７）としては
、ブラシレスＤＣモーターや、ステッピングモーターか
使用できる。また、リニアモーターを使用し、電気モー
ター（７）と動力変換手段（６）を一体化することもて
きる。しかし、現在のところ、リニアモーターは制御性
には優れているが、大型で重いため本発明の目的には適
していない。

プッシャープレート型ポンプ（３）にはプッシャープレ
ート位置検出手段（２８）が設置される。第２図では、
プッシャープレート位置検出手段（２８）として、プッ
シャープレート（２７）に取り付けた小型磁石（３７）
の位置をポンプバックプレート（３３）に取り付けたボ
ール素子（３８）で検出する方式を採用しているが、検
出手段はこれだけに限定されず、例えば超音波センサー
や光センサーをポンプ内に組み込み、プッシャープレー
ト（２７）とポンプバックプレート（３３）の間の距離
を測定する方式かある。

電子制御手段α０）はマイクロプロセッサ−（４０）を
中心ニ構成されているシステムである。電子制御手段α
ω内では、入力した信号が直接、またはＡ／Ｄコンバー
ターでアナログ−デジタル変換されマイクロプロセッサ
−（４０）へ送り込まれる。マイクロプロセッサ−（４
０）は前述した制御方式の組み込まれたソフトウェアに
従い、電気モーター（７）回転量を算出し、その情報を
電気モーター駆動制御装置（９）へパルス信号で出力す
る。電気モーター駆動制御装置（９）は、送られてきた
信号をパルス幅変調し、このパルス幅変調した信号を使
用してトランジスタスイッチを開閉し、電気モーター（
７）への入力電圧を制御する。電気モーター（７）の回
転量はパルス列の個数で制御される。さらに、電気モー
ター（７）の回転量はオプティカルエンコーダ（８）に
より電気モーター駆動制御装置（９）にフィードバック
され、精密に制御される。このように、駆動制御をデジ
タル的に行うので、非常に高精度で安定性の高い駆動か
可能となる。

（作　用） 本発明によれば、高耐久性を有する高分子材料製ダイヤ
フラムを可動部とするプッシャープレート型ポンプを電
気モーターにより駆動して、バルーンカテーテル内に容
積変位を起こしバルーンの拡張、収縮を行う。即ちこの
場合、ブッンヤープレート型ポンプをガスポンプとし、
電気モーターをガスポンプ駆動装置とするシステムを形
成する。

このため、駆動装置の構成要素を少なくすることかでき
るので小型軽量となる。

プッシャープレート型ポンプの駆動には、電気モーター
を使用し、その可動部が高分子材料であるので、低騒音
で駆動することか可能になる。従って、本方式を採用す
ることにより駆動装置の低騒音化か可能となる。

プッシャープレート型ポンプのプッシャープレートのス
トロークは、バルーン容量とバルーン拡張時のバルーン
内圧力の設定値により決定される。

電子制御手段は、プッシャープレート型ポンプ内に設置
されたプッシャープレート位置検出手段の出力信号から
、プッシャープレートのストロークを算出する。そして
、予め設定されたストロークと計測したストロークの差
を判断して、ストロークの調整を実施する。この方式を
採用することにより、プッシャープレートのストローク
は高精密度に制御され、いかなる容量のバルーンも精密
にコントロールすることが可能となり、小児から成人ま
での大動脈内バルーンボンピングに対応できるようにな
る。

バルーンとプッシャープレート型ポンプより形成される
閉鎖回路内には、バルーン内圧力を検出する手段か備え
られ、プッシャープレートが駆動されることにより生じ
るバルーン内の圧力変化を計測する。バルーン拡張時の
バルーン内の圧力は、予めバルーン内圧力設定手段て設
定されているので、バルーン内圧力が設定値からずれて
くると、バルーン内圧力検出半殺からの圧力信号と設定
値の差を電子制御手段が判断して補正を行う。つまり、
本方式によれば、バルーンの拡張時の内圧を任意に設定
できるので、拡張時にバルーンにかかる圧力を必要最小
限のレベルにすることかできる。

このことはバルーン駆動におけるバルーンの破損を防止
し、患者の状態に対応した安全性の高い治療を可能にす
る。

（実施例） 以下、本発明による装置を使用した試験結果を述べ、そ
の効果を明確にする。本発明の一実施例におけるシステ
ムは、その大きさか幅５５０市、高さ４５０ｍ、奥行き
３５０ｍｍであり、重量は１時間の使用か可能なバッテ
リーを含めて約３０　ｋｇであった。

なお、本装置の重量の３分の１はバッテリーによるもの
であり、今後小型で、高性能のバッテリーか開発されて
くればさらに小型、軽量化か可能である。

次に、本装置に小児用の３．５ｃｃから大柄な成人用の
４０ｃｃまでの容量のバルーンカテーテルを接続し、６
０ａＨｇから１４０躯Ｈｇまでの圧力を印加した水槽内
て、内部信号発生器によるトリガーでバルーンの駆動を
実施した。そして、バルーンの拡張−収縮の１サイクル
を１回として、その時の最高拍動数を求め駆動制御装置
の駆動性能を評価した。

使用したバルーンカテーテルのカテーテル部の長さと直
径は第１表に示した通りである。

第　　　　　１　　　　　表 この結果、水槽に印加した圧力に対してバルーン拡張時
のバルーン内圧力が約４０ｍｍＨｇ高値の時、３、５ｃ
ｃから３５ｃｃまでのバルーンについて毎分２００回の
バルーン駆動を行うことか可能であった。４０ｃｃのバ
ルーンは毎分１５０回にととまったが、実用上の十分な
範囲にある。また、この条件において水槽内に印加した
圧力はバルーンの最高拍動数に影響を与えなかった。従
って、小児から成人までの大動脈内バルーンボンピング
か、本発明による装置を提供することにより可能となる
。

次に、カテーテル部の直径２．８−とした容量３５ＣＣ
のバルーンカテーテルを用いて、水槽に印加した圧力に
対して、バルーン拡張時のバルーン内圧力の設定値を４
０ｍｍＨｇから１００ｍｍＨｇ高値まてスライドした場
合のバルーンの最高拍動数の変化を調へた。４０ｍｍＨ
ｇ高値ては最高拍動数は毎分１５０回であったか、バル
ーン内圧力の設定値を徐々に高くしてい（と、それに伴
ってバルーンの最高拍動数も上昇した。そして８０ｍｍ
Ｈｇ高値に設定した時、毎分２００回に到達した。この
ように、カテーテル部の直径か小さいために、駆動ガス
が移動するための十分な流路断面積が得られず、バルー
ンの最高拍動数か低い場合でも、駆動条件の設定を変え
ることにより最高拍動数を引き上げることか可能てあっ
た。即ち、本装置は拡張期のバルーン内圧力を任意に設
定できるため、カテーテル部の直径が小さい場合でも、
拡張期バルーン内圧力の設定値を上げることにより、十
分なバルーン駆動を実施できる。従って、本装置を提供
することにより、より細いバルーンカテーテルか使用可
能になる。このことは、大腿動脈より挿入されるバルー
ンカテーテルの患者への侵襲を軽減し、下肢の血液循環
を保つ上で好ましい。

次に、生体の模擬循環回路を作成し、１回あたりの最大
拍出量６０ｃｃの空気圧駆動ダイヤフラム型人工心臓を
これに取り付けて、本装置による人工心臓の駆動実験を
実施した。この結果、後負荷１００ｍ＋ｏＨｇ、拍動数
か毎分１００回の時、毎分５リツトルの流量を得ること
かできた。従って、本装置は人工心臓の駆動用にも使用
できることか判明した。

即ち本装置は、大動脈内バルーンボンピングの効果か十
分得られず、補助人工心臓か必要な場合にも対応が可能
であり、コストバーフオーマンスにおいて優れている。

また、本装置は、駆動時の騒音か、実験中まったく気に
ならない程度に抑えられており、低騒音化を実現してい
る。

（比較例１〜４） 第２表に、今日使用されているバルーン駆動装置のサイ
ズと重量を示す。比較例１はコントロン社製に−２００
０、比較例２はデータスコープ社製システム９０、比較
例３はエリアスメディカル社製モデル７００、比較例４
はマンスフイールド社製１３００ｍである。第２表より
本発明によるシステムか、小型、軽量化を実現している
ことか明らかである。

第　　　　　２　　　　　表 （発明の効果） 以上の如く、本発明によれば、高分子材料製ダイヤフラ
ムを有するプッシャープレート型ボンブを電気モーター
で作動するので、バルーン駆動制御装置の小型、軽量、
低騒音化を実現できる。小型軽量のため、病院内の移動
や病院間の移送を容易にし、低騒音なので病室や集中治
療室で使用するのに適している。プッシャープレート型
ポンプのプッシャープレートのストロークは、ポンプ内
に配置されたプッシャープレート位置検出手段により常
時監視されており、マイクロプロセッサ−がデジタル的
に処理してストローク調整を実施するので、高精度かつ
高安定に制御される。このため、いかなる容量のバルー
ンも高精度に駆動され、小児から成人までの大動脈内バ
ルーンポンピングに対応か可能となる。バルーン拡張時
のバルーン内圧力は、マイクロプロセッサ−が、バルー
ン内圧検出手段からの信号を処理した設定値に保つ。

実施例からも明らかなように、バルーン拡張時のバルー
ン内圧力を、心臓の後負荷圧、即ち心臓収縮末期の血圧
に対し４０＋ｎｍＨｇ高いレベルに設定すれば、バルー
ンの十分な駆動か可能である。従って、本方式は、必要
最低限のバルーン内圧を設定できるので、バルーン駆動
時のバルーン破損の危険を回避し、より安全性の高い治
療を広範囲に実施できる。さらに、患者の大腿動脈か細
く、通常のバルーンカテーテルを挿入するとカテーテル
部直径が太すぎて下肢の血液循環を妨げてしまうような
場合でも、バルーン拡張時のバルーン内圧を高めに設定
することで、カテーテル部直径の細い、即ち駆動ガスの
流路断面積の小さいバルーンカテーテルの駆動が可能と
なり、効率の良い治療を広範囲に実施てきる。また、本
発明による装置は、必要に応じて補助人工心臓の駆動か
可能で、コストパフォーマンスに優れる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明によるバルーン駆動装置の概略を示すブ
ロック図、第２図は本発明の一実施例となる低騒音小型
バルーン駆動装置のより具体的な構成を示すシステム図
である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）バルーンカテーテル内に充填された駆動ガスに容
   積変位を与え、該バルーンの拡張、収縮を行う、高分子
   材料製ダイヤフラムを有するプッシャープレート型ポン
   プ、電気モーターの回転運動を往復直線運動に変換し該
   ポンプのプッシャープレートを機械的に駆動する手段、
   プッシャープレート位置検出手段、前記バルーンカテー
   テルのバルーン容量設定手段、バルーン拡張時の内圧設
   定手段、バルーン内圧力検出手段を有し、前記内圧設定
   手段の設定値とバルーン内圧力検出手段の出力により、
   バルーン内圧力を調整する電子制御手段と、前記バルー
   ン容量設定手段と内圧設定手段の設定値及び前記プッシ
   ャープレート位置検出手段の出力により、前記プッシャ
   ープレート型ポンプのプッシャープレートのストローク
   を算出し、調整する電子制御手段とを備えることを特徴
   とする大動脈内バルーン駆動制御装置。